DE102020201507A1 - Method for operating a hydraulic drive - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Antriebs der eine von einem drehzahlvariablen elektrischen Motor (110) angetriebene hydraulische Pumpe (120) und einen mit der hydraulischen Pumpe (120) verbundenen hydraulischen Verbraucher (130) mit einem positionierbaren Element umfasst, wobei eine Position des positionierbaren Elements des hydraulischen Verbrauchers (130) mittels eines Positionsreglers (220) über eine Drehzahl des elektrischen Motors (110) als Stellgröße geregelt wird, wobei ein an dem positionierbaren Element des hydraulischen Verbrauchers (130) anliegender Druck oder eine durch das positionierbare Element des hydraulischen Verbrauchers (130) ausgeübte Kraft mittels eines Druck- bzw. Kraftreglers (210) geregelt wird, und wobei eine vorgegebene Drehzahl des elektrischen Motors (110) mittels Vorgabe einer Spannung (U) und/oder einer Umlauffrequenz (f) eines Feldes eines Stators des elektrischen Motors (110) eingestellt wird.

Figure DE102020201507A1_0000
The invention relates to a method for operating a hydraulic drive which comprises a hydraulic pump (120) driven by a variable-speed electric motor (110) and a hydraulic consumer (130) connected to the hydraulic pump (120) with a positionable element, one position of the positionable element of the hydraulic consumer (130) by means of a position controller (220) via a speed of the electric motor (110) is regulated as a manipulated variable, with a pressure applied to the positionable element of the hydraulic consumer (130) or a pressure applied by the positionable element of the hydraulic consumer (130) is regulated by means of a pressure or force regulator (210), and a predetermined speed of the electric motor (110) by specifying a voltage (U) and / or a rotational frequency (f) of a field of a stator of the electric motor (110) is set.
Figure DE102020201507A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Antriebs mit einer Positionsregelung und einer Druck- bzw. Kraftregelung sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.The present invention relates to a method for operating a hydraulic drive with a position control and a pressure or force control as well as a computing unit and a computer program for its implementation.

Stand der TechnikState of the art

Bei einer elektrohydraulischen Achse handelt es sich um einen hydraulischen Antrieb mit einem Motor, einer hydraulischen Pumpe und einem hydraulischen Zylinder, bei dem eine elektrische bzw. elektronische Regelung bspw. der Position des Zylinders bzw. dessen Kolbens möglich ist. Solche elektrohydraulische Achsen werden beispielsweise für sog. Tiefziehpressen, Spritzgießmaschinen oder auch bei anderen Umformtechnikmaschinen verwendet.An electrohydraulic axis is a hydraulic drive with a motor, a hydraulic pump and a hydraulic cylinder, in which electrical or electronic control, for example, of the position of the cylinder or its piston, is possible. Such electrohydraulic axes are used, for example, for so-called deep-drawing presses, injection molding machines or also in other metal-forming machines.

Meist sind bei solchen elektrohydraulischen Achsen ablösende Kraft-Positions-Regelungen vorgesehen, d.h. es findet beispielsweise je nach Betriebspunkt eine Kraftregelung oder eine Positionsregelung statt. Anstelle einer Kraftregelung kann auch eine Druckregelung vorgesehen sein, welche aufgrund des Zusammenhangs zwischen Kraft und Druck über die Angriffsfläche des Drucks, beispielsweise in einem hydraulischen Zylinder, äquivalent sind.For such electrohydraulic axes, alternating force-position controls are usually provided, i.e. force control or position control takes place, for example, depending on the operating point. Instead of a force control, a pressure control can also be provided, which is equivalent due to the relationship between force and pressure over the application surface of the pressure, for example in a hydraulic cylinder.

Bei solchen Regelungen kann beispielsweise ein Ventil zur Volumenstromänderung der Hydraulikflüssigkeit in den Zylinder verwendet werden. Auch kann eine Regelung der Drehzahl des die Hydraulikpumpe antreibenden Motors erfolgen. Die Hydraulikpumpe kann insbesondere als Konstantpumpe mit festem Fördervolumen pro Arbeitsspiel ausgebildet sein.With such controls, for example, a valve can be used to change the volume flow of the hydraulic fluid in the cylinder. The speed of the motor driving the hydraulic pump can also be regulated. The hydraulic pump can in particular be designed as a fixed displacement pump with a fixed delivery volume per work cycle.

Aus der EP 1 882 534 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zum Betreiben einer Zieheinrichtung bekannt, bei dem zur Kraftregelung ein Drehmoment eines elektrischen Motors als Antrieb für eine hydraulische Pumpe geregelt wird. Bei dieser Lösung ist jedoch nachteilig, dass man einen Betriebsartenwechsel benötigt, d.h. dass man zwischen Kraft- und Positionsregelung wechseln muss. Außerdem hat man bei der Kraftregelung über das Drehmoment beispielsweise keine Kontrolle mehr über die Position, weil der Positionsregler nicht aktiv ist. Daher kann es z.B. passieren, dass sich der Kolben der elektrohydraulischen Achse ungewollt weiterbewegt.From the EP 1 882 534 A1 For example, a method for operating a pulling device is known in which a torque of an electric motor as a drive for a hydraulic pump is regulated to regulate the force. However, this solution has the disadvantage that a change in the operating mode is required, that is to say that one has to switch between force and position control. In addition, with force control via the torque, for example, you no longer have control over the position because the position controller is not active. It can therefore happen, for example, that the piston of the electrohydraulic axis continues to move unintentionally.

Aus der DE 10 2014 226 634 B4 ist beispielsweise ein Verfahren bekannt, bei dem eine Positionsregelung sowie eine Kraft- bzw. Druckregelung verwendet werden. Zudem wird dort als Stellgröße des Druck- bzw. Kraftreglers eine Drehzahlbegrenzung für den elektrischen Motor verwendet. Eine vorgegebene Drehzahl des elektrischen Motors wird dort mittels einer Stromregelung eingestellt.From the DE 10 2014 226 634 B4 For example, a method is known in which a position control and a force or pressure control are used. In addition, a speed limit for the electric motor is used there as a manipulated variable of the pressure or force controller. A predetermined speed of the electric motor is set there by means of a current control.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Antriebs sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a method for operating a hydraulic drive as well as a computing unit and a computer program for its implementation are proposed with the features of the independent claims. Advantageous refinements are the subject matter of the subclaims and the description below.

Die Erfindung beschäftigt sich mit einem Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Antriebs, der eine von einem drehzahlvariablen elektrischen Motor bzw. einem elektrischen Antrieb angetriebene hydraulische Pumpe, insbesondere eine Konstantpumpe, und einen mit der hydraulischen Pumpe verbundenen hydraulischen Verbraucher mit einem positionierbaren Element umfasst. Dabei wird eine Position des positionierbaren Elements des hydraulischen Verbrauchers mittels eines Positionsreglers über eine Drehzahl des elektrischen Motors als Stellgröße geregelt, und ein an dem positionierbaren Element in dem hydraulischen Verbraucher anliegender Druck oder eine durch das positionierbare Element des hydraulischen Verbrauchers ausgeübte Kraft wird mittels eines Druck- bzw. Kraftreglers geregelt. Weiter wird bevorzugt als Stellgröße des Druck- bzw. Kraftreglers eine Drehzahlbegrenzung des elektrischen Motors ausgegeben, wobei die Drehzahlbegrenzung dann in einem Regelkreis des Positionsreglers verwendet wird, wie auch in der DE 10 2014 226 634 A1 schon beschrieben.The invention is concerned with a method for operating a hydraulic drive which comprises a hydraulic pump driven by a variable-speed electric motor or an electric drive, in particular a fixed displacement pump, and a hydraulic consumer connected to the hydraulic pump with a positionable element. A position of the positionable element of the hydraulic consumer is regulated by means of a position controller via a speed of the electric motor as a manipulated variable, and a pressure applied to the positionable element in the hydraulic consumer or a force exerted by the positionable element of the hydraulic consumer is determined by means of a pressure - or force regulator regulated. Furthermore, a speed limitation of the electric motor is preferably output as a manipulated variable of the pressure or force controller, the speed limitation then being used in a control loop of the position controller, as is also the case in FIG DE 10 2014 226 634 A1 already described.

Die Drehzahl des elektrischen Motors als Stellgröße bei der Positionsregelung wirkt sich dabei über den Förderstrom eines verwendeten Hydraulikfluids beispielsweise auf eine Positioniergeschwindigkeit des positionierbaren Elements und somit auch auf die Position des positionierbaren Elements aus. Der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle auch nochmals erwähnt, dass eine Druckregelung und eine Kraftregelung bei einem hydraulischen Verbraucher äquivalent sind, da der Druck über eine Angriffsfläche mit der Kraft korreliert ist. Bei dem hydraulischen Verbraucher mit positionierbarem Element handelt es sich vorzugsweise um einen Hydraulikzylinder mit positionierbarem Kolben.The speed of the electric motor as a manipulated variable in the position control has an effect via the delivery flow of a hydraulic fluid used, for example, on a positioning speed of the positionable element and thus also on the position of the positionable element. For the sake of completeness, it should also be mentioned again at this point that pressure regulation and force regulation are equivalent in the case of a hydraulic consumer, since the pressure is correlated with the force via an application surface. The hydraulic consumer with a positionable element is preferably a hydraulic cylinder with a positionable piston.

Dadurch, dass der Druck- bzw. Kraftregler durch eine Vorgabe einer Drehzahlgrenze in den Regelkreis des Positionsreglers eingreift, kann bei aktivem Druck- bzw. Kraftregler der Positionsregler weiterhin aktiv bleiben. Dies verhindert ein mögliches ungewolltes Weiterbewegen des positionierbaren Elements. Außerdem ist ein Betriebsartenwechsel zwischen Positions- und Druck- bzw. Kraftregelung nicht mehr nötig.Because the pressure or force controller intervenes in the control loop of the position controller by specifying a speed limit, the position controller can remain active when the pressure or force controller is active. This prevents possible unintentional further movement of the positionable element. There is also a change of operating mode between position and pressure or force control no longer necessary.

Es sind jedoch auch einfachere Reglerstrukturen im Rahmen der Erfindung denkbar, bei denen aus der Druckregelung bzw. Kraftregelung eine Drehzahl als Stellgröße für die weitere Regelstrecke oder Steuerstrecke vorgegeben wird.However, simpler controller structures are also conceivable within the scope of the invention, in which a speed is specified as a manipulated variable for the further controlled system or control system from the pressure control or force control.

Insgesamt kann gesagt werden, dass z.B. bei einem einfahrenden Zylinder eine Erhöhung der Drehzahl des elektrischen Motors - in der Drehrichtung, die das Einfahren bewirkt - eine Erniedrigung der Stützkraft des Zylinders bzw. eine Erniedrigung des für die Stützkraft maßgeblichen Drucks im Zylinder bewirkt, während eine Erniedrigung der Drehzahl zu einem verstärkten Anstauen von Druckmittel und damit zu einer Erhöhung von Stützkraft bzw. Druck im Zylinder führt. Somit kann alleine durch das Stellen oder Begrenzen der Drehzahl eine wirksame Druck- bzw. Kraftregelung durchgeführt werden, ohne dass ein Drehmoment am elektrischen Motor eingestellt oder geregelt werden müsste.Overall, it can be said that, for example, with a retracting cylinder, an increase in the speed of the electric motor - in the direction of rotation that causes the retraction - causes a decrease in the supporting force of the cylinder or a decrease in the pressure in the cylinder, which is decisive for the supporting force, while a Lowering the speed leads to an increased accumulation of pressure medium and thus to an increase in the supporting force or pressure in the cylinder. An effective pressure or force control can thus be carried out simply by setting or limiting the speed, without a torque having to be set or controlled on the electric motor.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird nun zudem eine vorgegebene Drehzahl des elektrischen Motors mittels Vorgabe einer Spannung (insbesondere deren Amplitude) und/oder einer Umlauffrequenz (bzw. Drehfeldfrequenz) eines Magnetfeldes eines Stators (also des Statorfeldes) des elektrischen Motors eingestellt, was typischerweise über einen Frequenzumrichter zur Ansteuerung des Elektromotors erfolgt. Hierbei kann auch von der sog. U-f-Steuerung gesprochen werden. Auf diese Weise ist dann keine Stromregelung nötig, insbesondere keine komplexe Regelung des momentenbildenden Stromes.In the proposed method, a predetermined speed of the electric motor is now also set by specifying a voltage (in particular its amplitude) and / or a rotational frequency (or rotating field frequency) of a magnetic field of a stator (i.e. the stator field) of the electric motor, which is typically done via a Frequency converter for controlling the electric motor takes place. This can also be referred to as the so-called U-f control. In this way, no current regulation is necessary, in particular no complex regulation of the torque-generating current.

Die erwähnte Drehzahlbegrenzung kann dabei in einem Drehzahlregler (der dem Positionsregler unterlagert ist) zur Regelung der Drehzahl auf die vorgegebene Drehzahl des elektrischen Motors verwendet werden. Dort, d.h. in dem Drehzahlregler, kann auch ein zurückgeführter Ist-Wert der Drehzahl berücksichtigt werden. Die Drehzahlbegrenzung wird bevorzugt auf einer Regelstrecke des Drehzahlreglers berücksichtigt, d.h. es kann insbesondere ein sich aus Sollwert und Istwert der Drehzahl ergebender Regelfehler basierend auf der Drehzahlbegrenzung angepasst werden. Alternativ ist es auch bevorzugt, wenn durch die Drehzahlbegrenzung eine vom Positionsregler vorgegebene Soll-Drehzahl begrenzt wird. Je nach Situation kann dabei die eine oder die andere Variante schneller oder effektiver sein.The mentioned speed limitation can be used in a speed controller (which is subordinate to the position controller) to control the speed to the specified speed of the electric motor. There, i.e. in the speed controller, a returned actual value of the speed can also be taken into account. The speed limitation is preferably taken into account on a controlled system of the speed controller, i.e. in particular a control error resulting from the setpoint and actual value of the speed can be adapted based on the speed limitation. Alternatively, it is also preferred if a setpoint speed specified by the position controller is limited by the speed limitation. Depending on the situation, one or the other variant can be faster or more effective.

Vorteilhafterweise wird auch eine Feldstärke des Magnetfeldes des Stators des elektrischen Motors basierend auf einem Sollverlauf des Drucks oder der Kraft (je nach aktuell verwendeter Regelgröße) an eine zu erwartende Belastung des elektrischen Motors angepasst. Damit kann durch vorausschauende Beeinflussung ein effizienterer Betrieb erreicht werden.A field strength of the magnetic field of the stator of the electric motor is advantageously also adapted to an expected load on the electric motor based on a setpoint profile of the pressure or the force (depending on the currently used control variable). In this way, more efficient operation can be achieved through predictive influencing.

Es ist auch von Vorteil, wenn ein zumindest näherungsweise konstanter Füllgrad des hydraulischen Verbrauchers oder Komponenten davon mit hydraulischem Medium bzw. mit Hydraulikflüssigkeit mittels einer Vorspannvorrichtung sichergestellt wird. Damit kann ein langfristiger Betrieb sichergestellt werden. Vorteilhafterweise umfasst der Druck- bzw. Kraftregler einen P-Regler, insbesondere mit schaltendem I-Anteil. Dabei handelt es sich um einen einfach zu realisierenden Regler, der dennoch zu einer stabilen Regelung führt. Es ist von Vorteil, wenn der Druck- bzw. Kraftregler weiterhin einen D-Anteil eines Ist-Wertes des Druckes bzw. der Kraft umfasst. Damit kann die Regelung auf den tatsächlichen Verlauf des Druckes bzw. der Kraft, insbesondere dessen bzw. deren Änderung reagieren.It is also advantageous if an at least approximately constant degree of filling of the hydraulic consumer or components thereof with hydraulic medium or with hydraulic fluid is ensured by means of a pretensioning device. This ensures long-term operation. The pressure or force regulator advantageously comprises a P regulator, in particular with a switching I component. This is a controller that is easy to implement, but still leads to stable control. It is advantageous if the pressure or force regulator further includes a D component of an actual value of the pressure or the force. The control can thus react to the actual course of the pressure or the force, in particular its or its change.

Vorzugsweise wird eine in den Positionsregler zurückgeführte Ist-Position des positionierbaren Elements des hydraulischen Verbrauchers durch eine Positionserfassungseinrichtung ermittelt. Die Positionserfassungseinrichtung, beispielsweise ein Wegaufnehmer in Form eines Sensors, kann dazu an geeigneter Stelle am hydraulischen Verbraucher angeordnet werden, während die Signale des Sensors bspw. an eine Recheneinheit, in welcher die Regelung durchgeführt wird, übermittelt werden. Damit kann eine sehr einfache Möglichkeit zur Erfassung der Ist-Position bereitgestellt werden.An actual position of the positionable element of the hydraulic consumer, which is fed back into the position controller, is preferably determined by a position detection device. The position detection device, for example a displacement transducer in the form of a sensor, can be arranged at a suitable point on the hydraulic consumer, while the signals from the sensor are transmitted, for example, to a computing unit in which the control is carried out. This makes it possible to provide a very simple way of recording the actual position.

Vorteilhafterweise wird ein in den Druck- bzw. Kraftregler zurückgeführter Ist-Wert des Druckes oder der Kraft mittels eines Druck- bzw. Kraftmessers ermittelt. Auch ein solcher Druck- bzw. Kraftmesser kann an geeigneter Stelle am hydraulischen Verbrauchen angeordnet sein. Ein Druckmesser könnte dabei auch an anderer geeigneter Stelle im hydraulischen Kreis angeordnet sein. Damit kann eine sehr einfache Möglichkeit zur Erfassung des Drucks bzw. der Kraft bereitgestellt werden.Advantageously, an actual value of the pressure or the force fed back into the pressure or force regulator is determined by means of a pressure or force meter. Such a pressure or force meter can also be arranged at a suitable point on the hydraulic consumer. A pressure gauge could also be arranged at another suitable point in the hydraulic circuit. This makes it possible to provide a very simple way of detecting the pressure or the force.

Alternativ wird ein in den Druckregler zurückgeführter Ist-Druck bzw. eine in den Kraftregler zurückgeführte Ist-Kraft mittels eines Beobachter- oder Streckenmodells ermittelt. Mit einem solchen Beobachter- oder Streckenmodell können der hydraulische Kreis inkl. hydraulischer Pumpe und hydraulischem Verbraucher rechnerisch abgebildet und die relevanten Ist-Größe rechnerisch ermittelt werden. Ein Druck- bzw. Kraftmesser ist somit nicht mehr nötig.Alternatively, an actual pressure fed back into the pressure regulator or an actual force fed back into the force regulator is determined by means of an observer or system model. With such an observer or plant model, the hydraulic circuit including hydraulic pump and hydraulic consumer can be mapped and the relevant actual values can be calculated. A pressure or force gauge is therefore no longer necessary.

Es ist von Vorteil, wenn der hydraulische Antrieb für eine elektrohydraulische Achse verwendet wird. Eine solche elektrohydraulische Achse kann dann beispielsweise für Tiefziehpressen, insbesondere Ziehkissen von Tiefziehpressen, Spritzgießmaschinen oder andere Umformtechnikmaschinen verwendet werden. Gerade in diesem Bereich sind genaue Positions- und Druck- bzw. Kraftregelungen nötig. Eine Ziehkraft kann auf diese Weise sehr präzise geregelt werden. Weiterhin kann der hydraulische Antrieb für ein Oberwerkzeug einer Presse Verwendung finden, um bspw. die Presskraft über den Verfahrweg der Presse genau zu regeln bzw. zu begrenzen. Es ist auch möglich, bei einer Tiefziehpresse das Ziehkissen lediglich anhand einer Zeit-/Weg-Kurve zu verfahren und die Ziehkraft am Oberwerkzeug (also dem Stempel) mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens einzustellen.It is advantageous if the hydraulic drive is used for an electro-hydraulic axis. Such an electro-hydraulic axis can then be used, for example, for deep-drawing presses, in particular, the drawing cushions of deep-drawing presses, injection molding machines or other forming machines are used. Precise position and pressure or force controls are necessary in this area in particular. A pulling force can be regulated very precisely in this way. Furthermore, the hydraulic drive can be used for an upper tool of a press in order, for example, to precisely regulate or limit the pressing force via the travel path of the press. In the case of a deep-drawing press, it is also possible to only move the drawing cushion using a time / path curve and to set the drawing force on the upper tool (ie the punch) by means of a method according to the invention.

Weitere bevorzugte Anwendungen sind hydraulische bzw. elektro-hydraulische Achsen in Biegemaschinen, Ballenpressen, Schrottpressen, Schmiedepressen, Feinschneidpressen, Faserverbundpressen, Walzwerke, Hüttenwerke, Spritzgießmaschinen, Blasformmaschinen, Druckgießmaschinen, Bearbeitungszentren, Prüfmaschinen, Simulatoren, Wellenkompensatoren, Servopressen, Rohr- und Drahtbiegemaschinen, Abkantpressen, Stanz- und Nibbelmaschinen, Stanz- und Umformautomaten, Saugertransfer- und Compactsaugerpressen, Reifenpressen, Reifenaufbaumaschinen, Vulkanisierpressen, Transfer- und Stufenpressen, Strangpressen, Biegezentren, Pulvermetallpressen.Other preferred applications are hydraulic or electro-hydraulic axes in bending machines, baling presses, scrap presses, forging presses, fineblanking presses, fiber composite presses, rolling mills, ironworks, injection molding machines, blow molding machines, die casting machines, machining centers, testing machines, simulators, shaft compensators, servo presses, pipe and wire bending machines , Punching and nibbling machines, punching and forming machines, suction transfer and compact suction presses, tire presses, tire building machines, vulcanizing presses, transfer and transfer presses, extrusion presses, bending centers, powder metal presses.

Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät einer elektrohydraulischen Achse, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.A computing unit according to the invention, e.g. a control unit of an electrohydraulic axis, is set up, in particular in terms of programming, to carry out a method according to the invention.

Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.The implementation of a method according to the invention in the form of a computer program or computer program product with program code for performing all method steps is advantageous, since this causes particularly low costs, in particular if an executing control device is also used for other tasks and is therefore available anyway. Suitable data carriers for providing the computer program are, in particular, magnetic, optical and electrical memories, such as hard drives, flash memories, EEPROMs, DVDs, etc. A program can also be downloaded via computer networks (Internet, intranet, etc.).

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention emerge from the description and the accompanying drawing.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The invention is shown schematically in the drawing using an exemplary embodiment and is described in detail below with reference to the drawing.

FigurenlisteFigure list

  • 1 zeigt schematisch einen hydraulischen Antrieb, der sich zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eignet. 1 shows schematically a hydraulic drive which is suitable for carrying out a method according to the invention.
  • 2 zeigt schematisch in einem Blockdiagramm eine Regelung bei einem hydraulischen Antrieb nach einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform. 2 shows schematically in a block diagram a control in a hydraulic drive according to a method according to the invention in a preferred embodiment.
  • 3 zeigt schematisch in einem Blockdiagramm eine Drehzahlregelung für einen hydraulischen Antrieb nach einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform. 3 shows schematically in a block diagram a speed control for a hydraulic drive according to a method according to the invention in a preferred embodiment.
  • 4 zeigt schematisch in einem Blockdiagramm eine Kraftregelung für einen hydraulischen Antrieb nach einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform . 4th shows schematically in a block diagram a force control for a hydraulic drive according to a method according to the invention in a preferred embodiment.

Detaillierte Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing

In 1 ist schematisch ein hydraulischer Antrieb 100 dargestellt, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Der hydraulische Antrieb 100 weist vorliegend einen drehzahlvariablen elektrischen Motor bzw. Antrieb 110 mit Stator 111 und Rotor 112 auf, der über eine Kupplung 115 mit einer hydraulischen Pumpe 120 verbunden ist. Bei der hydraulischen Pumpe 120 handelt es sich um eine als Konstantpumpe ausgeführte Axialkolbenpumpe mit festem Fördervolumen pro Arbeitsspiel. Die hydraulische Pumpe 120 kann mittels des elektrischen Motors 110 drehzahlvariabel angetrieben werden.In 1 is schematically a hydraulic drive 100 shown, in which a method according to the invention can be carried out. The hydraulic drive 100 in the present case has a variable-speed electric motor or drive 110 with stator 111 and rotor 112 on who has a clutch 115 with a hydraulic pump 120 connected is. With the hydraulic pump 120 it is an axial piston pump designed as a fixed displacement pump with a fixed delivery volume per work cycle. The hydraulic pump 120 can by means of the electric motor 110 are driven at variable speeds.

Weiterhin ist die hydraulische Pumpe 120 mit einem hydraulischen Verbraucher 130 mit positionierbarem Element verbunden. Der hydraulische Verbraucher 130 ist vorliegend als Zylinder mit Kolben als positionierbares Element ausgebildet, wobei der Kolben beispielsweise an beiden Enden eine Kolbenstange aufweist. Die hydraulische Pumpe 120 ist an beiden Enden mit dem Zylinder verbunden, sodass eine Bewegung des Kolbens in beide Richtungen -je nach Drehrichtung der hydraulischen Pumpe 120 - möglich ist. Über eine als Steuergerät ausgebildete Recheneinheit 150 sowie einen Frequenzumrichter 250 kann der elektrische Motor angesteuert werden. Dabei werden, auch unter Berücksichtigung eines Sollwerts psoll des Drucks, eine Spannung bzw. Spannungsamplitude U sowie eine Umlauffrequenz f eines Magnetfeldes des Stators zur Ansteuerung vorgegeben. Die hydraulische Anordnung 100 kann somit als elektrohydraulische Achse verwendet werden.Furthermore is the hydraulic pump 120 with a hydraulic consumer 130 connected to positionable element. The hydraulic consumer 130 is in the present case designed as a cylinder with a piston as a positionable element, the piston having, for example, a piston rod at both ends. The hydraulic pump 120 is connected to the cylinder at both ends so that the piston can move in both directions depending on the direction of rotation of the hydraulic pump 120 - is possible. Via a computing unit designed as a control unit 150 as well as a frequency converter 250 the electric motor can be controlled. In doing so, also taking into account a setpoint p should of the pressure, a voltage or voltage amplitude U as well as a rotational frequency f a magnetic field of the stator specified for control. The hydraulic arrangement 100 can therefore be used as an electro-hydraulic axis.

Weiterhin sind Druckmesser 131 und 131', eine als Wegaufnehmer 132 ausgebildete Positionserfassungseinrichtung sowie ein Kraftmesser 133 vorgesehen, mit denen aktuelle Ist-Werte für den Druck bzw. Differenzdruck p im Zylinder, für die Position des Kolbens sowie für die durch den Kolben ausgeübte Kraft erfasst und an die Recheneinheit 150 übermittelt werden können. Druckmesser 131, 131' und Kraftmesser 133 müssen nicht zwingend gleichzeitig vorgesehen sein, je nach gewünschter Regelung können auch nur die Druckmesser, ggf. auch nur einer davon, oder der Kraftmesser ausreichend sein.There are also pressure gauges 131 and 131 ' , one as displacement transducer 132 trained position detection device and a force gauge 133 provided with the current actual values for the pressure or differential pressure p recorded in the cylinder, for the position of the piston and for the force exerted by the piston and sent to the arithmetic unit 150 can be transmitted. Pressure gauge 131 , 131 ' and dynamometer 133 do not necessarily have to be provided at the same time; depending on the desired regulation, only the pressure gauges, possibly only one of them, or the force gauges can also be sufficient.

In 2 ist in einem Blockdiagramm schematisch eine Regelung bei einem hydraulischen Antrieb, wie beispielsweise dem in 1 gezeigten hydraulischen Antrieb 100, nach einem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Dabei sind ein Kraftregler 210 und ein Positionsregler 220 vorgesehen. Anstelle des Kraftreglers kann, wie schon erwähnt, auch ein Druckregler (wie z.B. in 1 angedeutet) verwendet werden.In 2 is a block diagram schematically a control in a hydraulic drive, such as that in FIG 1 hydraulic drive shown 100 , shown according to a method according to the invention in a preferred embodiment. There are also a force regulator 210 and a position controller 220 intended. Instead of the force regulator, as already mentioned, a pressure regulator (such as in 1 indicated) can be used.

Der Kraftregler 210 erhält als Eingangsgröße zunächst eine Soll-Kraft Fsoll , woraus eine Stellgröße ermittelt wird, die in Schritt 211 ggf. noch angepasst wird. Als Stellgröße wird hier eine Drehzahlbegrenzung nlim verwendet. Die Drehzahlbegrenzung nlim kann dabei für beide Drehrichtungen des elektrischen Motors 110 gelten. Der Kraftregler 210 kann dabei als PI-Regler mit schaltendem I-Anteil ausgebildet sein.The force regulator 210 initially receives a target force as an input variable F should , from which a manipulated variable is determined, which in step 211 may still be adjusted. A speed limitation is used here as the manipulated variable n lim used. The speed limit n lim can for both directions of rotation of the electric motor 110 are valid. The force regulator 210 can be designed as a PI controller with a switching I component.

Der Positionsregler 220, vorliegend ebenfalls als Pl-Regler mit schaltendem I-Anteil ausgeführt, erhält als Eingangsgröße eine Soll-Position xsoll , woraus eine Stellgröße ermittelt wird. Die Stellgröße wird in Schritt 221 angepasst. So wird beispielsweise eine Soll-Verfahrgeschwindigkeit des Verbrauchers 130 zum Erreichen einer bestimmten Position vorgegebenen, die in Schritt 221 dann in eine entsprechende Soll-Drehzahl nsoll des elektrischen Motors 130 umgerechnet wird.The position controller 220 , in the present case also designed as a PI controller with a switching I component, receives a setpoint position as the input variable x should , from which a manipulated variable is determined. The manipulated variable is in step 221 customized. For example, a target travel speed of the consumer is set 130 to reach a certain position given in step 221 then into a corresponding target speed n should of the electric motor 130 is converted.

In einem Drehzahlregler 230 werden die Werte von Kraftregler 210 und Positionsregler 220, also Drehzahlbegrenzung nlim und Soll-Drehzahl nsoll zusammengeführt. Bei dem Drehzahlregler 230 kann es sich um einen PI-Regler handeln. Da die Drehzahlbegrenzung lediglich Maximalwerte für die Drehzahl, welche anhand der Soll-Drehzahl nsoll vorgegeben wird, darstellt, muss nicht zwischen beiden Regelungen gewechselt werden. Die Positionsregelung kann trotz aktiver Kraftregelung weiterhin aktiv sein. Für eine detailliertere Darstellung des Drehzahlreglers 230 sei auf 3 verwiesen.In a speed controller 230 the values of the force controller 210 and position controller 220 , so speed limitation n lim and target speed n should merged. With the speed controller 230 it can be a PI controller. Since the speed limitation only maximum values for the speed, which are based on the target speed n should is specified, there is no need to switch between the two regulations. The position control can still be active despite active force control. For a more detailed representation of the speed controller 230 be up 3 referenced.

Vom Drehzahlregler 230 wird nun eine Drehzahl an eine Motorsteuerung oder ggf. Motorregelung 240 übergeben, die über einen Frequenzumrichter 250 den elektrischen Motor 110 entsprechend der vorgegebenen Drehzahl ansteuert. Von der vom elektrischen Motor 110 über die Kupplung 115 angetriebenen hydraulischen Pumpe 120 wird somit ein Förderström Q eines Hydraulikfluids in den hydraulischen Verbraucher 130 eingestellt.From the speed controller 230 a speed is now sent to a motor control or, if necessary, motor control 240 passed that through a frequency converter 250 the electric motor 110 controls according to the specified speed. From that of the electric motor 110 about the clutch 115 powered hydraulic pump 120 thus becomes a conveying flow Q a hydraulic fluid in the hydraulic consumer 130 set.

Am hydraulischen Verbraucher 130 mittels des Kraftmessers 133 bzw. des Wegaufnehmers 132 erfasste Ist-Werte Fist für die Kraft und xist für die Position werden an den jeweiligen Regler 210 bzw. 220 zurückgeführt. Daneben wird auch eine Ist-Drehzahl nist des elektrischen Motors 110 in den Regelkreis zurückgeführt.On the hydraulic consumer 130 by means of the dynamometer 133 or the displacement transducer 132 recorded actual values F is for the strength and x is for the position are sent to the respective controller 210 or. 220 returned. In addition, there is also an actual speed n is of the electric motor 110 fed back into the control loop.

In 3 ist in einem Blockdiagramm schematisch eine Drehzahlregelung sowie Motorsteuerung, wie sie mit dem Drehzahlregler 230 bzw. der Motorsteuerung 240 in 2 erfolgt, detaillierter dargestellt. In einem Schritt 310 werden die Soll-Drehzahl nsoll und die Drehzahlbegrenzung nlim zusammengeführt, d.h. die Soll-Drehzahl nsoll wird durchgereicht, solange sie kleiner als nlim ist, ansonsten wird sie auf nlim beschränkt.In 3 is in a block diagram schematically a speed control and motor control, as they are with the speed controller 230 or the engine control 240 in 2 takes place, shown in more detail. In one step 310 become the target speed n should and the speed limit n lim merged, ie the target speed n should will be passed on as long as it is less than n lim otherwise it will open n lim limited.

Als nächstes wird die Ist-Drehzahl nist des elektrischen Motors 110 von der Soll-Drehzahl abgezogen, um eine Regelabweichung zu bilden, welche dann einem Pl-Regler 320 zugeführt wird. In der Motorsteuerung 240 werden dann eine Spannung U sowie eine Umlauffrequenz f eines Magnetfeldes eines Stators des elektrischen Motors zur Ansteuerung des elektrischen Motors 110 ermittelt bzw. vorgegeben, und insbesondere dem Frequenzumrichter, wie in 2 gezeigt, zugeführt.Next is the actual speed nest of the electric motor 110 subtracted from the target speed in order to form a control deviation, which is then sent to a PI controller 320 is fed. In the engine control 240 then become a tension U as well as a rotational frequency f a magnetic field of a stator of the electric motor for controlling the electric motor 110 determined or specified, and in particular the frequency converter, as in 2 shown fed.

In 4 ist in einem Blockdiagramm schematisch eine Kraftregelung, wie sie mit dem Kraftregler 210 in 2 erfolgt, detaillierter dargestellt. Ein Kraft-Sollwert Fsoll wird zunächst einem PT1-Glied 410 zugeführt, um Sollwertsprünge zu dämpfen, anschließend wird ein Ist-Wert Fist der Kraft abgezogen, um eine Regelabweichung zu bilden, welche einem P-Regler 420 zugeführt wird. Nach einer Begrenzung 430 wird die Stellgröße nlim vom Kraftregler ausgegeben.In 4th is in a block diagram schematically a force control, as it is with the force controller 210 in 2 takes place, shown in more detail. A force setpoint F should is first a PT1 element 410 is supplied to dampen setpoint jumps, then an actual value is provided Fist subtracted from the force to form a control deviation, which a P-controller 420 is fed. After a limit 430 becomes the manipulated variable n lim issued by the force regulator.

Der Ist-Wert Fist für die Kraft kann dabei direkt über den Kraftmesser 133 ermittelt werden. Allerdings ist auch eine Ermittlung ohne Sensor möglich, beispielsweise über ein entsprechendes Beobachter- oder Streckenmodell. Wenn anstatt des Kraftreglers ein Druckregler verwendet wird, muss anstatt des Ist-Werts der Kraft ein Ist-Wert für den Druck ermittelt werden. Dazu kann beispielsweise der Druckmesser 131 verwendet werden (vgl. hierzu auch 1).The actual value Fist for the force can be done directly via the dynamometer 133 be determined. However, determination without a sensor is also possible, for example using a corresponding observer or route model. If a pressure regulator is used instead of the force regulator, an actual value for the pressure must be determined instead of the actual value of the force. The pressure gauge, for example, can do this 131 can be used (see also 1 ).

Außerdem sind noch ein D-Anteil 440 für den Istwert Fist , der einem P-Regler 450 zugeführt wird, mit einem schaltenden I-Anteil 470 verrechnet und einer Begrenzung 460 zugeführt wird, gezeigt.There is also a D component 440 for the actual value F is , which is a P-controller 450 is supplied, with a switching I component 470 offset and a limit 460 is shown.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • EP 1882534 A1 [0005]EP 1882534 A1 [0005]
  • DE 102014226634 B4 [0006]DE 102014226634 B4 [0006]
  • DE 102014226634 A1 [0008]DE 102014226634 A1 [0008]

Claims (15)

Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Antriebs (100), der eine von einem drehzahlvariablen elektrischen Motor (110) angetriebene hydraulische Pumpe (120) und einen mit der hydraulischen Pumpe (120) verbundenen hydraulischen Verbraucher (130) mit einem positionierbaren Element umfasst, wobei eine Position des positionierbaren Elements des hydraulischen Verbrauchers (130) mittels eines Positionsreglers (220) über eine Drehzahl des elektrischen Motors (110) als Stellgröße geregelt wird, wobei ein an dem positionierbaren Element des hydraulischen Verbrauchers (130) anliegender Druck oder eine durch das positionierbare Element des hydraulischen Verbrauchers (130) ausgeübte Kraft mittels eines Druck- bzw. Kraftreglers (210) geregelt wird, und wobei eine vorgegebene Drehzahl des elektrischen Motors (110) mittels Vorgabe einer Spannung (U) und/oder einer Umlauffrequenz (f) eines Magnetfeldes eines Stators (111) des elektrischen Motors (110) eingestellt wird.A method for operating a hydraulic drive (100) which comprises a hydraulic pump (120) driven by a variable-speed electric motor (110) and a hydraulic consumer (130) with a positionable element connected to the hydraulic pump (120), wherein a position of the positionable element of the hydraulic consumer (130) is regulated by means of a position controller (220) via a speed of the electric motor (110) as a manipulated variable, wherein a pressure applied to the positionable element of the hydraulic consumer (130) or a force exerted by the positionable element of the hydraulic consumer (130) is regulated by means of a pressure or force regulator (210), and wherein a predetermined speed of the electric motor (110) is set by specifying a voltage (U) and / or a rotational frequency (f) of a magnetic field of a stator (111) of the electric motor (110). Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Feldstärke des Magnetfeldes des Stators des elektrischen Motors (110) basierend auf einem Sollverlauf des Drucks oder der Kraft an eine zu erwartende Belastung des elektrischen Motors angepasst wird.Procedure according to Claim 1 , wherein a field strength of the magnetic field of the stator of the electric motor (110) is adapted to an expected load on the electric motor based on a setpoint profile of the pressure or the force. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein zumindest näherungsweise konstanter Füllgrad des hydraulischen Verbrauchers (130) oder Komponenten davon mit hydraulischem Medium mittels einer Vorspannvorrichtung sichergestellt wird.Procedure according to Claim 1 or 2 , wherein an at least approximately constant degree of filling of the hydraulic consumer (130) or components thereof with hydraulic medium is ensured by means of a pretensioning device. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Stellgröße des Druck- bzw. Kraftreglers (210) die vorgegebene Drehzahl ausgegeben wird und wobei die vorgegebene Drehzahl am elektrischen Motors (110) eingestellt wird, wobei insbesondere ein Drehzahlregler (230) zur Regelung der Drehzahl des elektrischen Motors (110) auf die vorgegebene Drehzahl verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the specified speed is output as the manipulated variable of the pressure or force regulator (210) and wherein the specified speed is set on the electric motor (110), wherein in particular a speed controller (230) for regulating the speed of the electric motor (110) is used to the predetermined speed. Verfahren nach Anspruch 4, wobei in dem Drehzahlregler (230) ein zurückgeführter Ist-Wert (nist) der Drehzahl berücksichtigt wird.Procedure according to Claim 4 , a returned actual value (nist) of the speed being taken into account in the speed controller (230). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei als Stellgröße des Druck- bzw. Kraftreglers (210) eine Drehzahlbegrenzung (nIm) des elektrischen Motors (110) ausgegeben wird, die in einem Regelkreis des Positionsreglers (220) verwendet wird.Method according to one of the Claims 1 until 3 , with a speed limitation (n Im ) of the electric motor (110) being output as the manipulated variable of the pressure or force controller (210), which is used in a control loop of the position controller (220). Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Drehzahlbegrenzung (nIm) in einem Drehzahlregler (230) zur Regelung der Drehzahl auf die vorgegebene Drehzahl des elektrischen Motors (110) verwendet wird.Procedure according to Claim 6 , wherein the speed limitation (n Im ) is used in a speed controller (230) to regulate the speed to the predetermined speed of the electric motor (110). Verfahren nach Anspruch 7, wobei in dem Drehzahlregler (230) ein zurückgeführter Ist-Wert (nist) der Drehzahl berücksichtigt wird.Procedure according to Claim 7 Wherein actual value recirculated in the speed controller (230) (n) of the rotational speed is taken into account. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Drehzahlbegrenzung (nIm) auf einer Regelstrecke des Drehzahlreglers (230) berücksichtigt wird.Procedure according to Claim 7 or 8th , the speed limitation (n Im ) on a controlled system of the speed controller (230) being taken into account. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei durch die Drehzahlbegrenzung (nlim) eine vom Positionsregler (220) vorgegebene Soll-Drehzahl (nsoll) begrenzt wird.Method according to one of the Claims 7 until 9 , whereby the speed limitation (n lim ) limits a set speed (n soll ) specified by the position controller (220). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als hydraulische Pumpe (120) eine Konstantpumpe verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, wherein a fixed displacement pump is used as the hydraulic pump (120). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der hydraulische Antrieb (100) für eine elektrohydraulische Achse verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the hydraulic drive (100) is used for an electro-hydraulic axis. Recheneinheit (150), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.Computing unit (150) which is set up to carry out a method according to one of the preceding claims. Computerprogramm, das eine Recheneinheit (150) veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (150) ausgeführt wird.Computer program that causes a computing unit (150) to perform a method according to one of the Claims 1 until 12th to be carried out when it is executed on the computing unit (150). Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 14.Machine-readable storage medium with a computer program stored thereon Claim 14 .
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